论文部分内容阅读
摘要：本文笔者主要结合自己多年从事钢结构施工方面的工作，结合实例进行分析了某高层建筑钢结构的施工技术。
关键词：高层建筑；钢结构；施工
Abstract: in this paper the author mainly according to many years engaged in the steel structure of the construction work, combined with the analysis of a high-rise construction steel structure construction technology.
Keywords: high building; Steel structure; construction
中图分类号： TU391 文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
某项目主楼结构形式为钢-钢筋混凝土混合结构。由于建筑造型和特殊使用功能的需要，主体结构之间存在两种连体钢结构，第1种为平面钢结构井字梁（图1），共2层，位于主体结构中庭○D～○G轴，通过主梁的8个万向支座连接于主楼结构上，主梁与次梁的截面均为工字形截面，其中主梁截面尺寸为H1800×700×30×80，平面尺寸为36.0m×31.5m，钢梁顶面标高分别为主体结构3层15.600m和主体结构6层29.400m，自重分别为217t和201t;第2种为空间钢结构桁架，共两个，分别位于○B轴和○J轴对应处，每个钢桁架都由1榀主桁架、与周边主结构连接的次梁以及部分悬挑结构组成，主桁架的立柱、弦杆、腹杆的截面均为工字形截面，最大截面尺寸为H600×600×40×40，跨度30m，桁架上标高43. 500m。为防止提升时结构重心偏心，只提升主桁架部分，待提升部分自重均为67t。
a 标高15.6m处 b 标高29.85m处
图1 钢结构井字梁平面示意图
2 施工难点
1)高空安装构件截面大，自重大( 主梁重13kN/m) ，受空间限制移动式起重机械无法作业，塔式起重机起重能力远远不够。
2)作业空间小，冬期施工难度大利用已建主体结构搭建提升平台，构造复杂。冬季环境低温给液压提升系统的正常运行带来考验。
3)精度要求高。钢桁架和井字钢梁的空中对接点分别为6个和8 个，提升同步控制和对接难度较大，对安装精度控制要求较高。被提升结构在地面拼装时要精确定位，保证千斤顶位置与钢结构提升吊点位置上下对应。
3 整体提升方案
3. 1 钢结构井字梁
该工程待提升的钢结构井字梁共有2层，位于主体结构3层(标高15. 600m) 和6 层( 标高29. 850m) ，每个井字梁的主梁通过8个万向支座连接于主体结构上。根据现场实际情况，设置4 个提升点，将主体结构7 层处的混凝土悬挑梁作为提升平台，每个提升点的悬挑梁上安放箱形截面钢梁，然后将2个100t 穿心式液压千斤顶支在上面，每个千斤顶配4束 15. 24mm钢绞线，钢绞线经钢梁中心所开圆孔，连接于被提升井字梁外伸上翼缘处的防松工具锚上。具体提升步骤如图2所示。
图2钢结构井字梁提升施工工艺流程
1) 步驟1 在主楼结构7层悬挑平台提升点对应位置处安装提升钢梁，同时地面拼装6层被提升部分钢梁，之后安装提升设备，连接提升钢绞线。
2) 步骤2将6层钢梁提升至设计标高。
3) 步骤3对接6层钢梁8个支座，焊接剩余次梁，完毕后卸载。同时地面拼装3层被提升部分钢梁。
4) 步骤4将3层钢梁提升至设计标高后，对接8个支座，焊接剩余次梁，完毕后卸载。
5) 步骤5 拆除提升平台及设备，钢梁安装完毕。
3. 2 钢结构桁架
本工程待提升钢桁架的提升方案确定为: 设置2个提升点，将临时焊接于主结构型钢柱上的箱形截面钢梁作为提升平台，然后将1 个100t穿心式液压千斤顶支在上面，每个千斤顶配4束 15. 24mm钢绞线。钢绞线通过提升吊点工装，连接于桁架结构中弦端部。只提升中心单榀桁架，其他与主体结构相连的次梁及悬挑部分构件在空中拼装。具体提升步骤如下。
1) 步骤1 在主结构型钢柱标高41.200m位置处焊接钢牛腿，同时地面拼装6 层被提升部分钢梁。然后安装提升设备，连接提升钢绞线。准备工作完成之后开始提升。
2) 步骤2 将钢桁架提升至设计标高。
3) 步骤3 对接钢桁架中弦和下弦牛腿，焊接上弦构件及对应钢柱。
4) 步骤4 所有构件焊接完毕，进行质量验收，合格后卸载，拆除临时提升牛腿及设备。
4 整体提升核心技术问题
4.1 提升点及提升力设计
对应钢结构井字梁正常使用状态，在主梁端部对应处设置8个提升点更符合原结构的设计受力假定，但工艺复杂、成本较高。因此在主楼结构7 层悬挑平台处布设4个提升点。为计算各个支撑点的提升力，对钢梁整体建立有限元模型，如图3(以6层钢梁为例) 所示，在提升点的对应位置建立竖向约束。钢结构井字梁的自重及必要的施工荷载施加于钢梁整体有限元模型中，通过计算得到各竖向支座反力，即为施工过程中各提升点需要的提升力，这不仅是选择千斤顶数量及规格的依据，也是进行提升平台设计验算和提升地锚吊点设计的依据。
图3 钢结构井字梁整体模型
对于本工程待提升的钢结构桁架，在结构中弦两端各设置1 个提升点，计算内容与钢结构井字梁相同。
4. 2 提升支架设计
钢结构井字梁的提升平台由主体结构7 层处的混凝土悬臂梁和安放于其上的箱形截面钢梁组成。提升平台不仅是提升千斤顶的工作平台，也把千斤顶的荷载由钢梁、混凝土悬臂梁传递到主体结构上。混凝土悬臂梁经过强度、挠度及裂缝验算，满足相关要求。对应集中力位置预埋钢板，防止局部破坏。在混凝土梁下部增加临时钢管( 219mm，Q345) 斜撑，增大安全系数。箱形截面钢梁通过有限元软件ANSYS 验算，最大等效应力100MPa，满足设计要求。
钢桁架提升平台由临时焊接于主体型钢柱上的钢牛腿构成，其箱形截面尺寸为1000mm×480mm×30mm×20mm，通过有限元软件验算，最大等效应力183MPa(见图4)，满足设计要求。实际施工中，在钢牛腿侧面增加斜支撑，保证其侧向稳定性。
图4 钢桁架提升牛腿等效应力分布
4. 3 提升吊点设计
在提升过程中，钢绞线的提升力是通过提升吊点工装传递给被提升结构，提升吊点的构造一般较为复杂，传力途径并不十分明确，而且吊点附近结构应力分布也较复杂。因此，对提升吊点建立有限元模型进行计算，分析其应力分布情况。
对于本工程待提升的钢结构井字梁，将上翼缘外伸，并开圆孔形成吊点，同时增加两侧加劲肋，保证提升力有效传递。钢梁提升吊点处的等效应力分布情况如图5所示，最大应力不超过130MPa，强度满足要求。
图5钢结构井字梁提升下锚点局部应力
本工程提升钢桁架的提升吊点是由桁架结构中弦焊接临时吊耳工装构成。钢桁架提升吊点处的等效应力分布情况如图6 所示，最大应力不超过85MPa，强度满足要求。
图6钢桁架提升下锚点局部应力
4. 4 提升过程控制参数
在结构整体提升过程中，各提升点位移不可避免地存在不一致的情况，相对位移的存在会引起提升力和结构内力的重新分配。要保证提升过程安全，必须预先考虑如何将各提升点提升力和相对位移控制在允许范围之内。具体分析本工程待提升结构，钢结构井字梁和钢桁架都属平面结构，各点提升力对相对位移差不敏感，因此只对相对位移进行控制，建立各提升点间相互影响的刚度矩阵，最终得出各提升点间的最大允许相对位移为20mm。
4. 5 提升应急预案
根据对提升方案各环节的情况分析，针对可能出现的紧急状况，除了在系统方案设计上采取相应安全防范保证措施外，还制定了相应的应急预案。
1) 通过试提升检验系统设计的可靠性试提升分5级加载，提升至离地200mm 后悬停12h，在逐级加载及悬停过程中对支撑系统、提升系统和被提升结构等各种参数进行监测( 或观测) 对比，出现异常情况时可采取下放或支点处垫实卸载处理。
2) 钢绞线断裂的应急措施发现钢绞线断裂，立即通知控制台停止，提升锁定全部油缸，替换钢绞线，从油缸穿至下部锚具，重新张紧后继续提升。
3) 提升不同步应急措施采用油缸行程和水准仪观测同步进行方式，设高差预警值为16mm，提升点间高差达到预警值后锁定，调整行程偏差油缸至高差5mm 以内后继续提升。
4) 其他干扰大风、雨雪、机械故障等情况下锁定油缸(也可能油缸防坠安全锚自锁)，利用提升前在被提升结构上固定的大绳将其与周边结构拉结防止晃动，根据不同情况采取相应处理措施。
5 结语
根据大量计算分析结果, 进一步优化整体提升施工方案, 确定各提升点最大允许位移差等同步提升控制参数。确保了连体钢结构整体提升施工的顺利完成。
作者简介：陆炳春（1975～），男，壮族，籍贯广西武鸣，现供职单位：珠海十字门中央商务区建设控股有限公司，助理工程师，本科学士，研究方向：高层建筑钢结构，大跨度空间结构设计与施工管理
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：高层建筑；钢结构；施工
Abstract: in this paper the author mainly according to many years engaged in the steel structure of the construction work, combined with the analysis of a high-rise construction steel structure construction technology.
Keywords: high building; Steel structure; construction
中图分类号： TU391 文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
某项目主楼结构形式为钢-钢筋混凝土混合结构。由于建筑造型和特殊使用功能的需要，主体结构之间存在两种连体钢结构，第1种为平面钢结构井字梁（图1），共2层，位于主体结构中庭○D～○G轴，通过主梁的8个万向支座连接于主楼结构上，主梁与次梁的截面均为工字形截面，其中主梁截面尺寸为H1800×700×30×80，平面尺寸为36.0m×31.5m，钢梁顶面标高分别为主体结构3层15.600m和主体结构6层29.400m，自重分别为217t和201t;第2种为空间钢结构桁架，共两个，分别位于○B轴和○J轴对应处，每个钢桁架都由1榀主桁架、与周边主结构连接的次梁以及部分悬挑结构组成，主桁架的立柱、弦杆、腹杆的截面均为工字形截面，最大截面尺寸为H600×600×40×40，跨度30m，桁架上标高43. 500m。为防止提升时结构重心偏心，只提升主桁架部分，待提升部分自重均为67t。
a 标高15.6m处 b 标高29.85m处
图1 钢结构井字梁平面示意图
2 施工难点
1)高空安装构件截面大，自重大( 主梁重13kN/m) ，受空间限制移动式起重机械无法作业，塔式起重机起重能力远远不够。
2)作业空间小，冬期施工难度大利用已建主体结构搭建提升平台，构造复杂。冬季环境低温给液压提升系统的正常运行带来考验。
3)精度要求高。钢桁架和井字钢梁的空中对接点分别为6个和8 个，提升同步控制和对接难度较大，对安装精度控制要求较高。被提升结构在地面拼装时要精确定位，保证千斤顶位置与钢结构提升吊点位置上下对应。
3 整体提升方案
3. 1 钢结构井字梁
该工程待提升的钢结构井字梁共有2层，位于主体结构3层(标高15. 600m) 和6 层( 标高29. 850m) ，每个井字梁的主梁通过8个万向支座连接于主体结构上。根据现场实际情况，设置4 个提升点，将主体结构7 层处的混凝土悬挑梁作为提升平台，每个提升点的悬挑梁上安放箱形截面钢梁，然后将2个100t 穿心式液压千斤顶支在上面，每个千斤顶配4束 15. 24mm钢绞线，钢绞线经钢梁中心所开圆孔，连接于被提升井字梁外伸上翼缘处的防松工具锚上。具体提升步骤如图2所示。
图2钢结构井字梁提升施工工艺流程
1) 步驟1 在主楼结构7层悬挑平台提升点对应位置处安装提升钢梁，同时地面拼装6层被提升部分钢梁，之后安装提升设备，连接提升钢绞线。
2) 步骤2将6层钢梁提升至设计标高。
3) 步骤3对接6层钢梁8个支座，焊接剩余次梁，完毕后卸载。同时地面拼装3层被提升部分钢梁。
4) 步骤4将3层钢梁提升至设计标高后，对接8个支座，焊接剩余次梁，完毕后卸载。
5) 步骤5 拆除提升平台及设备，钢梁安装完毕。
3. 2 钢结构桁架
本工程待提升钢桁架的提升方案确定为: 设置2个提升点，将临时焊接于主结构型钢柱上的箱形截面钢梁作为提升平台，然后将1 个100t穿心式液压千斤顶支在上面，每个千斤顶配4束 15. 24mm钢绞线。钢绞线通过提升吊点工装，连接于桁架结构中弦端部。只提升中心单榀桁架，其他与主体结构相连的次梁及悬挑部分构件在空中拼装。具体提升步骤如下。
1) 步骤1 在主结构型钢柱标高41.200m位置处焊接钢牛腿，同时地面拼装6 层被提升部分钢梁。然后安装提升设备，连接提升钢绞线。准备工作完成之后开始提升。
2) 步骤2 将钢桁架提升至设计标高。
3) 步骤3 对接钢桁架中弦和下弦牛腿，焊接上弦构件及对应钢柱。
4) 步骤4 所有构件焊接完毕，进行质量验收，合格后卸载，拆除临时提升牛腿及设备。
4 整体提升核心技术问题
4.1 提升点及提升力设计
对应钢结构井字梁正常使用状态，在主梁端部对应处设置8个提升点更符合原结构的设计受力假定，但工艺复杂、成本较高。因此在主楼结构7 层悬挑平台处布设4个提升点。为计算各个支撑点的提升力，对钢梁整体建立有限元模型，如图3(以6层钢梁为例) 所示，在提升点的对应位置建立竖向约束。钢结构井字梁的自重及必要的施工荷载施加于钢梁整体有限元模型中，通过计算得到各竖向支座反力，即为施工过程中各提升点需要的提升力，这不仅是选择千斤顶数量及规格的依据，也是进行提升平台设计验算和提升地锚吊点设计的依据。
图3 钢结构井字梁整体模型
对于本工程待提升的钢结构桁架，在结构中弦两端各设置1 个提升点，计算内容与钢结构井字梁相同。
4. 2 提升支架设计
钢结构井字梁的提升平台由主体结构7 层处的混凝土悬臂梁和安放于其上的箱形截面钢梁组成。提升平台不仅是提升千斤顶的工作平台，也把千斤顶的荷载由钢梁、混凝土悬臂梁传递到主体结构上。混凝土悬臂梁经过强度、挠度及裂缝验算，满足相关要求。对应集中力位置预埋钢板，防止局部破坏。在混凝土梁下部增加临时钢管( 219mm，Q345) 斜撑，增大安全系数。箱形截面钢梁通过有限元软件ANSYS 验算，最大等效应力100MPa，满足设计要求。
钢桁架提升平台由临时焊接于主体型钢柱上的钢牛腿构成，其箱形截面尺寸为1000mm×480mm×30mm×20mm，通过有限元软件验算，最大等效应力183MPa(见图4)，满足设计要求。实际施工中，在钢牛腿侧面增加斜支撑，保证其侧向稳定性。
图4 钢桁架提升牛腿等效应力分布
4. 3 提升吊点设计
在提升过程中，钢绞线的提升力是通过提升吊点工装传递给被提升结构，提升吊点的构造一般较为复杂，传力途径并不十分明确，而且吊点附近结构应力分布也较复杂。因此，对提升吊点建立有限元模型进行计算，分析其应力分布情况。
对于本工程待提升的钢结构井字梁，将上翼缘外伸，并开圆孔形成吊点，同时增加两侧加劲肋，保证提升力有效传递。钢梁提升吊点处的等效应力分布情况如图5所示，最大应力不超过130MPa，强度满足要求。
图5钢结构井字梁提升下锚点局部应力
本工程提升钢桁架的提升吊点是由桁架结构中弦焊接临时吊耳工装构成。钢桁架提升吊点处的等效应力分布情况如图6 所示，最大应力不超过85MPa，强度满足要求。
图6钢桁架提升下锚点局部应力
4. 4 提升过程控制参数
在结构整体提升过程中，各提升点位移不可避免地存在不一致的情况，相对位移的存在会引起提升力和结构内力的重新分配。要保证提升过程安全，必须预先考虑如何将各提升点提升力和相对位移控制在允许范围之内。具体分析本工程待提升结构，钢结构井字梁和钢桁架都属平面结构，各点提升力对相对位移差不敏感，因此只对相对位移进行控制，建立各提升点间相互影响的刚度矩阵，最终得出各提升点间的最大允许相对位移为20mm。
4. 5 提升应急预案
根据对提升方案各环节的情况分析，针对可能出现的紧急状况，除了在系统方案设计上采取相应安全防范保证措施外，还制定了相应的应急预案。
1) 通过试提升检验系统设计的可靠性试提升分5级加载，提升至离地200mm 后悬停12h，在逐级加载及悬停过程中对支撑系统、提升系统和被提升结构等各种参数进行监测( 或观测) 对比，出现异常情况时可采取下放或支点处垫实卸载处理。
2) 钢绞线断裂的应急措施发现钢绞线断裂，立即通知控制台停止，提升锁定全部油缸，替换钢绞线，从油缸穿至下部锚具，重新张紧后继续提升。
3) 提升不同步应急措施采用油缸行程和水准仪观测同步进行方式，设高差预警值为16mm，提升点间高差达到预警值后锁定，调整行程偏差油缸至高差5mm 以内后继续提升。
4) 其他干扰大风、雨雪、机械故障等情况下锁定油缸(也可能油缸防坠安全锚自锁)，利用提升前在被提升结构上固定的大绳将其与周边结构拉结防止晃动，根据不同情况采取相应处理措施。
5 结语
根据大量计算分析结果, 进一步优化整体提升施工方案, 确定各提升点最大允许位移差等同步提升控制参数。确保了连体钢结构整体提升施工的顺利完成。
作者简介：陆炳春（1975～），男，壮族，籍贯广西武鸣，现供职单位：珠海十字门中央商务区建设控股有限公司，助理工程师，本科学士，研究方向：高层建筑钢结构，大跨度空间结构设计与施工管理
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。